Physique chimie 3eme Plan du cours: Introduction: activité documentaire «Histoire du modèle de l atome» 1. Observation au microscope a champ proche 2. La dimension des atomes 3. Constitution de l atome 4. Le symbole des atomes 5. L assemblage de la matière 6- Les ions 7. Liens entre la structure microscopique des matériaux et leurs propriétés Exercices: livre BELIN page 22-23 1
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Dalton, Thomson, Rutherford. Électrons (en 1881). Oui (charge négative).. Pudding de Thomson (l atome est une sphère contenant des charges positives et négatives parsemées ). Que la charge positive de l atome occupe un tout petit volume (qu il appelle le «noyau»). Que la majorité de la masse de l atome est concentrée dans le noyau. L atome est 100000 fois plus grand que le noyau. Dans un atome, il y a autant de particules positives (proton) que d électrons.. L atome est électriquement neutre. La masse de la matière est essentiellement concentrée dans le noyau et ce noyau est 100000 fois plus petit que l atome. Donc le reste est vide: la matière est lacunaire. 3
Modèle planétaire. Le modèle d un noyau autour duquel gravitent des électrons formant un nuage électronique Le modèle de Rutherford ne permet pas d expliquer tout les phénomènes. (par exemple la fluorescence s explique avec un modèle quantique de l atome) Oui On tente d expliquer des phénomène grâce a un modèle. L expérimentation permet De le confirmer ou de le rejeter. évolué limites. le modèle 4
Histoire du modèle de l atome Démocrite (-420) a l intuition que la matière est formée d atomes. Au I er siècle av-jc Lucrèce tente de démontrer l existence de l atome. Atome vient de tomos qui signifie couper et le préfixe a signifie qu on ne peut couper, insécable. L atome est décrit comme la particule la plus petite possible. C est la théorie des quatre éléments d Aristote qui va s imposer jusqu au XIX e siècle. La combinaison de la terre, de l eau, de l air et du feu explique la composition de la matière. En 1805, John Dalton reprend la théorie atomique car elle rend bien compte de ses observations. En 1881, J.J. Thomson découvre les électrons. En 1904 il décrit l atome comme des ensembles de charges positives occupant une petit volume au milieu d électrons. L atome n est plus insécable! C est le modèle du pudding de Thomson. Chaque charge positive est égale à chaque charge négative, au signe près : Charges positives Electrons En 1910, Rutherford montre que la matière contient essentiellement du vide et que le noyau qui est 100 000 fois plus petit que l atome représente presque toute sa masse. Rutherford décrit un atome dont le modèle est calqué sur celui des planètes. La masse du soleil représente 99 % de la masse du système solaire et son diamètre est très petit par rapport à celui du système solaire. Le noyau est au centre et les électrons tournent autour sur des trajectoires fixes : Noyau qui contient presque toute la masse de l'atome Electrons Ce modèle ne permet pas d expliquer de nouvelles observations. On doit admettre que la trajectoire des électrons est plus compliquée. Nuage électronique Noyau central Trajectoire d'un électron Modèle de l'atome contenant toutes les trajectoires de tous les électrons Le modèle actuel est très complexe et ne peut plus être représenté par un dessin. Néanmoins, pour expliquer la physique et la chimie élémentaire il est suffisant d admettre un modèle de l atome avec un noyau central positif très petit et des électrons qui tournent autour en formant un nuage sphérique. On élabore un modèle conformément aux phénomènes observés, il doit permettre de prévoir d autres phénomènes. On modifie le modèle au fur et à mesure des observations. 5
LE MODÈLE DE L ATOME Que savez-vous de l atome? 1. Observation au microscope à champ proche On déplace une pointe ultrafine au dessus d une surface. Un système maintient constante la distance de la pointe à la surface. La force exercée sur la pointe est enregistré : Surface étudiée Balayage Avancement de la pointe Distance pointe-surface = 0,000 000 5 mm On trace une courbe par balayage. On trace les courbes côte à côte pour obtenir un graphique final : 6
Par quelle figure géométrique a-t-on modélisé l atome : On a représenté l atome par une sphère. Si on admet que chaque bosse correspond à un atome, essayer de placer les atomes représentés par une sphère sur le graphique : Rappeler ce que représente chaque courbe : Chaque courbe représente la force exercée sur la pointe. À quoi correspond chaque surélévation des courbes : Chaque surélévation correspond à un atome qui forme la surface. Ce n est pas une photographie de la surface. Comment expliquer la correspondance entre le modèle de l atome et les courbes tracées : L attraction augmente peu à peu quand la pointe s approche de l atome puis diminue peu à peu quand on s éloigne, le modèle sphérique correspond aux courbes enregistrées. 7
2. La dimension des atomes Le document suivant a été obtenu par microscopie électronique (effet tunnel). Il représente les atomes d un cristal de silicium : La taille de l atome est de l ordre du dixième de millionième de millimètre c'est à dire : ( 1 mm / 10 ) / 1 000 000 = 10-10 m = 0,000 000 000 1 m. Il faut imaginer 1 millimètre que l on coupe en dix puis il faut couper en un million le petit morceau obtenu. Le nombre d atomes d'une toute petite parcelle d'un corps est si grand qu'il défie l'imagination! Une tête d'épingle de 1 mm 3 contient environ 80 000 000 000 atomes de fer. Une goutte d'eau contient environ mille milliards de molécules d'eau qui elles-mêmes contiennent chacune 3 atomes. La taille des noyaux des atomes est encore bien plus petite que celle de l'atome. En effet, si le noyau atomique était représenté par une orange, un électron serait plus petit qu'une tête d'épingle et se déplacerait à environ 100 m de l'orange. Si on arrivait à concentrer tous les noyaux de tous les atomes de l'univers, ils n'occuperaient pas plus que le volume d'un dé à coudre car la matière qui nous entoure est essentiellement composée de vide. On dit que la matière a une structure lacunaire. 8
3. Constitution de l atome On représente l atome par une sphère dont le centre est occupé par le noyau qui est 100 000 fois plus petit que l atome. Presque toute la masse de l atome est concentrée dans le noyau. Le noyau comprend des charges positives. Autour du noyau gravitent des électrons e- porteurs de charges négatives. L atome est neutre, il comprend autant de charges positives que de charges négatives. Echelle : pour un diamètre de l'atome de 10 m, le noyau a un diamètre de 0,1 mm. Noyau comprenant de 1 à 100 charges positives. Diamètre 1/100 000 celui de l'atome 5 m 0,1 mm Nuage électronique : de 1 à 100 e- chargés négativement Diamètre d'un atome : environ 0,000 000 1 mm = 0,1 nm Si l atome avait la dimension d un grand stade, le noyau aurait la dimension d une tête d épingle. Les matériaux sont formés d atomes. Il y a environ 10 000 000 d atomes sur une longueur de 1 mm. 4. Le symbole des atomes Il existe dans la nature une centaine de type d atomes. Chaque type d atome est représenté par un symbole : la première lettre est écrite en majuscule s il y a une deuxième lettre, elle est écrite en minuscule. Exemple : Type d atome Symbole Hydrogène Carbone Oxygène Fer Cuivre Aluminium Zinc H C O Fe Cu Al Zn 9
5. L'assemblage de la matière : drôle de jeu de construction! Il existe seulement une centaine d'atomes différents.(cf. tableau périodique) La matière est formée à partir d atomes qui peuvent se regrouper en molécules (exemple, le gaz dioxygène de l'air est constitué de molécules de dioxygène formées chacune de 2 atomes d'oxygène). Dans un corps simple, les atomes formant une molécule sont tous les mêmes. Dans un corps composé, les atomes formant une molécule sont différents. On connaît un demi million de molécules différentes dans le monde où nous vivons. 6. Les ions Dans certaines conditions, certains atomes ou groupement d'atomes peuvent capter ou perdre un ou plusieurs électrons. L'ensemble n'est plus neutre d'un point de vue électrique, il forme alors ce que l'on appelle un ion. Si c'est un seul atome qui a capté ou perdu un ou des électrons, il devient un ion monoatomique. Si c'est un ensemble de plusieurs atomes qui ont capté ou perdu un ou des électrons, il devient un ion polyatomique. Il existe des ions négatifs, les anions (gain d'électrons) et ions positifs, les cations (perte d'électrons). Ion Formule Hydrogène H + Hydroxyde HO - Chlorure Cl - Sodium Na + Zinc Zn 2+ Cuivre II Cu 2+ Aluminium Al 3+ Fer II Fe 2+ Fer III Fe 3+ Exemple : L'atome de chlore de symbole Cl peut gagner un électron et former l'ion chlorure Cl - qui est un anion monoatomique. Equation-bilan de formation de cet ion : Cl + 1 e - Cl - Les ions vous les connaissez, rappelez vous en cinquième. Une solution ionique est une solution qui contient des ions (ex : eau minérale). Les solutions ioniques sont électroniquement neutres : :Ex : solution de chlorure de sodium (eau salée) contient autant de Na+ que de Cl-, la solution de chlorure de cuivre contient deux fois plus de Cl- que de Cu2+ 10
Rappel de quatrième: équation bilan : Pensons à la phrase d un des premiers chimistes Antoine Laurent LAVOISIER (1743-1794 mort sur l échafaud) : «Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme». Donc les atomes ne disparaissent pas et n apparaissent pas, ils se réarrangent seulement en d'autres composés chimiques appelés produits. 7. Lien entre la structure microscopique des matériaux et leurs propriétés La plupart des métaux à température ordinaire sont des solides et plus précisément des cristaux qui se distinguent des autres solides par leurs propriétés mécaniques, électriques et optiques. Lorsque le métal comporte plusieurs espèces d'atomes, on dit que c'est un alliage. Dans un métal, certains électrons sont libres, ce qui permet le passage du courant électrique. C'est pour cela que les métaux et les alliages sont des conducteurs de l'électricité et de la chaleur. Dans un métal, certaines couches d'atomes glissent relativement facilement les unes sur les autres. C'est pour cela que les métaux et les alliages peuvent se déformer sans casser, ils sont dits malléables. Les métaux sont également opaques à la lumière et la réfléchissent. (Penser aux miroirs argentés fabriqués avec une fine couche d'argent posée sur une vitre). Les atomes dans les métaux sont arrangés régulièrement les uns contre les autres et en très grand nombre. Donc, on ne peut pas parler de "molécules" de fer ou de cuivre et on représentera un métal par le symbole de son atome. Voir la structure des verres et des matières plastiques livre BELIN page 21. Résume : Constitution de la matière 11
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